模拟电子技术基础-东北大学信息科学与工程学院Northeastern-University

模拟电子技术基础东北大学信息科学与工程学院NortheasternUniversity1.本课程的性质2.特点3.研究内容4.教学目标5.学习方法

前言6.成绩评定

实验：20%

平时：10%

考试：70%7.教材

前言电路与电子学(第4版)李晶皎、王文辉等主编电子工业出版社20128.参考书

童诗白主编，《模拟电子技术基础》第三版，高教出版社

前言一些基本概念在电子技术中，被传递、加工和处理的信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号模拟信号：在时间上和幅度上都是连续变化的信号，称为模拟信号，例如正弦波信号、心电信号等。数字信号：在时间和幅度上均不连续的信号。一些基本概念模拟电路：工作信号为模拟信号的电子电路。数字电路：工作信号为数字信号的电子电路。主要内容半导体二极管和三极管放大电路基础

功率放大电路集成运算放大器负反馈放大电路信号的运算、处理及波形发生电路直流电源第4章半导体二极管和三极管

内容主要有：半导体的导电性能PN结的形成及单向导电性半导体器件的结构、工作原理、工作特性、参数半导体器件主要包括：半导体二极管（包括稳压管）三极管和场效应管4.1PN结

1.半导体⑴半导体的物理特性物质根据其导电性能分为

导体：导电能力良好的物质。绝缘体：导电能力很差的物质。半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。⑴半导体的物理特性半导体的导电能力具有独特的性质。①温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；②在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；③纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。半导体为什么具有以上的导电性质？⑵半导体的晶体结构

原子的组成：带正电的原子核若干个围绕原子核运动的带负电的电子且整个原子呈电中性。半导体器件的材料：硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子。

简化原子结构模型如图4-1(a)的简化形式。+4惯性核价电子图4-1(a)硅和锗的简化原子模型⑵半导体的晶体结构单晶半导体结构特点共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。图4-1(b)是晶体共价键结构的平面示意图。⑵半导体的晶体结构

图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键⑵半导体的晶体结构

2.半导体的导电原理

⑴本征半导体（IntrinsicSemiconductor）

纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子—载流子的多少。⑴本征半导体本征半导体在绝对零度（T=0K相当于T=－273℃）时，相当于绝缘体。在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。

半导体中的载流子自由电子空穴（Hole）

空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空位叫做空穴。空穴带正电荷。⑴本征半导体在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发（IntrinsicExcitation）。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。空穴是载流子吗？⑴本征半导体动画空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。BA空穴自由电子图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键⑴本征半导体由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动，因此，空穴是一种载流子。半导体中有两种载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下形成电流。⑴本征半导体半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。半导体中存在载流子的产生过程载流子的复合过程⑴本征半导体综上所述：(1)半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。(2)本征半导体中，电子和空穴总是成对地产生，ni

=pi。(3)半导体中，同时存在载流子的产生和复合过程。⑵杂质半导体本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。掺入的微量元素——“杂质”。掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。

杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。⑵杂质半导体①N型半导体在本征半导体中加入微量的五价元素，可使半导体中自由电子浓度大为增加，形成N型半导体。掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅（或锗）原子的位置。如图4-2所示。图4-2N型半导体晶体结构示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键掺入五价原子①N型半导体掺入五价原子占据Si原子位置在室温下就可以激发成自由电子杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。自由电子的数目高，故导电能力显著提高。把这种半导体称为N型半导体，其中的电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。

①N型半导体②P型半导体在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。空位A图4-3P型半导体晶体结构示意图+4+4+4+4+4+3+4+4+4共价键空位吸引邻近原子的价电子填充，从而留下一个空穴。在P型半导体中，空穴数等于负离子数与自由电子数之和，空穴带正电，负离子和自由电子带负电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。综上所述：(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。⑶载流子的漂移运动和扩散运动①漂移运动（DriftMovement）

有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为漂移运动。漂移运动产生的电流称为漂移电流。②扩散运动由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动（DiffusionMovement），载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比。3.PN结的形成

PN结：是指在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区。PN结是构成多种半导体器件的基础。

二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。浓度差引起载流子的扩散。3.PN结的形成扩散的结果形成自建电场。空间电荷区也称作“耗尽区”

“势垒区”

自建电场阻止扩散，加强漂移。动态平衡。扩散=漂移3.PN结的形成

动画4.PN结的特性

⑴PN结的单向导电性

①PN结外加正向电压如图所示，电源的正极接P区，负极接N区，这种接法叫做PN结加正向电压或正向偏置。动画①PN结外加正向电压PN结外加正向电压时（P正、N负），空间电荷区变窄。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。

②PN结外加反向电压如图所示，电源的正极接N区，负极接P区，这种接法叫做PN结加反向电压或反向偏置。②

PN结外加反向电压

流过PN结的电流主要是少子的漂移决定的，称为PN结的反向电流。PN结的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止。PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电场增强，多子的扩散电流近似为零。反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。少子的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结的反向电流受温度影响很大。②PN结外加反向电压

结论：PN结的单向导电性：

PN结加正向电压产生大的正向电流，PN结导电。

PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，PN结不导电。⑵PN结的伏安特性定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关系的曲线——PN结的伏安特性。根据理论分析，PN结的伏安特性方程为外加电压流过PN结的电流电子电荷量q=1.6×10-19C反向饱和电流绝对温度(K)玻耳兹曼常数k=1.38×10-23J/K自然对数的底⑵

PN结的伏安特性

令

在常温下，T=300K，

则当U大于UT数倍即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。⑵

PN结的伏安特性

外加反向电压时，U为负值，当|U|比UT大几倍时，

I≈IS即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和电流。⑵

PN结的伏安特性

曲线OD段表示PN结正向偏置时的伏安特性，称为正向特性；曲线OB段表示PN结反向偏置时的伏安特性，称为反向特性。U（mV）I（mA）0图4-5PN结的理论伏安特性DT=25℃B-IS（V）0.255075100(uA)0.511.52画出PN结的理论伏安特性曲线。⑶PN结的反向击穿加大PN结的反向电压到某一值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结击穿，发生击穿所需的电压称为击穿电压，如图所示。

反向击穿的特点：反向电压增加很小，反向电流却急剧增加。UBRU（V）I（mA）0图4-6PN结反向击穿①雪崩击穿由倍增效应引起的击穿。当PN结外加的反向电压增加到一定数值时，空间电荷数目较多，自建电场很强，使流过PN结的少子漂移速度加快，可获得足够大的动能，它们与PN结中的中性原子碰撞时，能把价电子从共价建中碰撞出来，产生新的电子空穴对。雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的PN结中。②齐纳击穿强电场破坏共价健引起的。齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高的PN结中。雪崩击穿和齐纳击穿均为电击穿。⑷PN结的电容